1. Кіріспе
Радиожиілік (РЖ) энергиясын жинау (РЖЖ) және сәулеленуші сымсыз қуат беру (СЖТ) батареясыз тұрақты сымсыз желілерге қол жеткізу әдістері ретінде үлкен қызығушылық тудырды. Реттенналар WPT және RFH жүйелерінің негізі болып табылады және жүктемеге берілетін тұрақты ток қуатына айтарлықтай әсер етеді. Реттеннаның антенна элементтері жинау тиімділігіне тікелей әсер етеді, бұл жинау қуатын бірнеше рет өзгерте алады. Бұл мақалада WPT және қоршаған ортадағы RFH қолданбаларында қолданылатын антенна конструкциялары қарастырылады. Хабарланған ректенналар екі негізгі критерий бойынша жіктеледі: антеннаны түзетуші кедергі өткізу қабілеттілігі және антеннаның сәулелену сипаттамалары. Әрбір критерий үшін әртүрлі қолданбалар үшін құндылық көрсеткіші (FoM) анықталады және салыстырмалы түрде қарастырылады.
WPT технологиясын Tesla 20 ғасырдың басында мыңдаған ат күшін беру әдісі ретінде ұсынды. Радиожиілік қуатын жинау үшін түзеткішке қосылған антеннаны сипаттайтын ректенна термині 1950 жылдары ғарыштық микротолқынды қуат беру қолданбалары және автономды дрондарды қуаттандыру үшін пайда болды. Көп бағытты, ұзақ қашықтықтағы WPT тарату ортасының (ауаның) физикалық қасиеттерімен шектеледі. Сондықтан, коммерциялық WPT негізінен сымсыз тұтынушылық электрониканы зарядтау немесе RFID үшін жақын өрісті сәулеленбейтін қуат берумен шектеледі.
Жартылай өткізгіш құрылғылар мен сымсыз сенсорлық түйіндердің қуат тұтынуы төмендей берген сайын, сенсорлық түйіндерді қоршаған ортадағы RFH арқылы немесе таратылған төмен қуатты көп бағытты таратқыштарды пайдаланып қуаттандыру тиімдірек бола түседі. Өте төмен қуатты сымсыз қуат жүйелері әдетте RF алудың алдыңғы жағынан, тұрақты ток қуатын және жадты басқарудан, сондай-ақ төмен қуатты микропроцессор мен қабылдағыш-таратқыштан тұрады.
1-суретте RFH сымсыз түйінінің архитектурасы және жиі хабарланатын RF алдыңғы енгіліктері көрсетілген. Сымсыз қуат жүйесінің толық тиімділігі және синхрондалған сымсыз ақпарат пен қуат беру желісінің архитектурасы антенналар, түзеткіштер және қуатты басқару тізбектері сияқты жеке компоненттердің өнімділігіне байланысты. Жүйенің әртүрлі бөліктері үшін бірнеше әдебиеттерге шолу жүргізілді. 1-кестеде қуатты түрлендіру кезеңі, тиімді қуатты түрлендірудің негізгі компоненттері және әр бөлік үшін байланысты әдебиеттерге шолулар қорытындыланған. Соңғы әдебиеттер қуатты түрлендіру технологиясына, түзеткіш топологияларына немесе желіге бейімделген RFH-ке бағытталған.
1-сурет
Дегенмен, антенна дизайны RFEH-те маңызды компонент ретінде қарастырылмайды. Кейбір әдебиеттерде антеннаның өткізу қабілеті мен тиімділігі жалпы тұрғыдан немесе антеннаның нақты дизайны тұрғысынан, мысалы, миниатюралық немесе киілетін антенналар тұрғысынан қарастырылғанымен, белгілі бір антенна параметрлерінің қуатты қабылдау мен түрлендіру тиімділігіне әсері егжей-тегжейлі талданбайды.
Бұл мақалада RFEH және WPT антенналарын жобалауға қатысты қиындықтарды стандартты байланыс антеннасын жобалаудан ажырату мақсатында ректенналардағы антенналарды жобалау әдістері қарастырылады. Антенналар екі тұрғыдан салыстырылады: толық импеданс сәйкестігі және сәулелену сипаттамалары; әр жағдайда FoM заманауи (SoA) антенналарда анықталады және қарастырылады.
2. Өткізу қабілеті және сәйкестендіру: 50Ω емес RF желілері
50Ω тән кедергісі микротолқынды инженерия қолданбаларында әлсіреу мен қуат арасындағы ымыраға келудің ерте қарастырылуы болып табылады. Антенналарда кедергі өткізу қабілеттілігі шағылысқан қуат 10%-дан аз болатын жиілік диапазоны ретінде анықталады (S11< − 10 дБ). Төмен шу күшейткіштері (LNA), қуат күшейткіштері және детекторлар әдетте 50Ω кіріс кедергісі сәйкес келетіндіктен, дәстүрлі түрде 50Ω көзіне сілтеме жасалады.
Реттеннада антеннаның шығысы тікелей түзеткішке беріледі, ал диодтың сызықтық еместігі кіріс кедергісінде үлкен өзгеріс тудырады, сыйымдылық компоненті басым болады. 50Ω антеннаны ескере отырып, негізгі қиындық - кіріс кедергісін қызығушылық жиілігіндегі түзеткішке түрлендіру және оны белгілі бір қуат деңгейі үшін оңтайландыру үшін қосымша РЖ сәйкестендіру желісін жобалау. Бұл жағдайда РЖ-ден тұрақты токқа тиімді түрлендіруді қамтамасыз ету үшін толық импеданс өткізу қабілеті қажет. Сондықтан, антенналар периодты элементтерді немесе өзін-өзі толықтыратын геометрияны пайдаланып теориялық тұрғыдан шексіз немесе ультра кең өткізу қабілетіне қол жеткізе алса да, ректеннаның өткізу қабілеті түзеткішке сәйкестендіру желісімен шектеледі.
Шағылысуларды азайту және антенна мен түзеткіш арасындағы қуат берілісін барынша арттыру арқылы бір жолақты және көп жолақты жинауға немесе WPT-ге қол жеткізу үшін бірнеше ректенна топологиялары ұсынылды. 2-суретте импеданс сәйкестендіру архитектурасы бойынша жіктелген есеп берілген ректенна топологияларының құрылымдары көрсетілген. 2-кестеде әрбір санат үшін ұштан соңға өткізу қабілеттілігіне (бұл жағдайда FoM) қатысты жоғары өнімді ректенналардың мысалдары көрсетілген.
2-сурет. Өткізу қабілеті мен кедергіні сәйкестендіру тұрғысынан ректенна топологиялары. (a) Стандартты антеннасы бар бір жолақты ректенна. (b) Әр жолақ үшін бір түзеткіші және сәйкес желі бар көп жолақты ректенна (бірнеше өзара байланысқан антенналардан тұрады). (c) Әр жолақ үшін бірнеше RF порттары және бөлек сәйкестендіру желілері бар кең жолақты ректенна. (d) Кең жолақты антеннасы және кең жолақты сәйкестендіру желісі бар кең жолақты ректенна. (e) Түзеткішке тікелей сәйкестендірілген электрлік жағынан шағын антеннаны пайдаланатын бір жолақты ректенна. (f) Түзеткішке қосылатын күрделі кедергісі бар бір жолақты, электрлік жағынан үлкен антенна. (g) Жиілік диапазонында түзеткішке қосылатын күрделі кедергісі бар кең жолақты ректенна.
WPT және арнайы берілістен алынған қоршаған ортадағы RFEH әртүрлі ректенна қолданбалары болғанымен, антенна, түзеткіш және жүктеме арасында толық сәйкестікке қол жеткізу өткізу қабілеттілігі тұрғысынан жоғары қуатты түрлендіру тиімділігіне (PCE) қол жеткізу үшін өте маңызды. Дегенмен, WPT ректенналары белгілі бір қуат деңгейлерінде (a, e және f топологиялары) бір жолақты PCE жақсарту үшін жоғары сапалы фактор сәйкестігіне (төменгі S11) қол жеткізуге көбірек көңіл бөледі. Бір жолақты WPT-нің кең өткізу қабілеттілігі жүйенің детекторлануына, өндірістік ақауларға және қаптама паразиттеріне төзімділігін арттырады. Екінші жағынан, RFEH ректенналары көп жолақты жұмысқа басымдық береді және bd және g топологияларына жатады, себебі бір жолақтың қуат спектрлік тығыздығы (PSD) әдетте төмен болады.
3. Тікбұрышты антенна дизайны
1. Бір жиілікті ректенна
Бір жиілікті ректеннаның (топология А) антенна дизайны негізінен стандартты антенна дизайнына, мысалы, жер бетіндегі сызықтық поляризация (LP) немесе дөңгелек поляризация (CP) сәулелену патчына, дипольдік антеннаға және инверттелген F антеннасына негізделген. Дифференциалды диапазонды ректенна бірнеше антенна блоктарымен немесе бірнеше патч блоктарының аралас тұрақты және радиожиілік комбинациясымен конфигурацияланған тұрақты ток комбинациялық массивіне негізделген.
Ұсынылған антенналардың көпшілігі бір жиілікті антенналар болғандықтан және бір жиілікті WPT талаптарына сай болғандықтан, қоршаған ортаға көп жиілікті RFH іздеген кезде, бірнеше бір жиілікті антенналар қуатты басқару тізбегінен кейін өзара байланыс басылуы және тәуелсіз тұрақты ток комбинациясы бар көп жолақты ректенналарға (B топологиясы) біріктіріліп, оларды РФ алу және түрлендіру тізбегінен толығымен оқшаулайды. Бұл әрбір диапазон үшін бірнеше қуатты басқару тізбектерін қажет етеді, бұл күшейткіш түрлендіргіштің тиімділігін төмендетуі мүмкін, себебі бір диапазонның тұрақты ток қуаты төмен.
2. Көп жолақты және кең жолақты RFEH антенналары
Қоршаған ортадағы RFH көбінесе көп жолақты алумен байланысты; сондықтан стандартты антенна конструкцияларының өткізу қабілеттілігін жақсарту үшін әртүрлі әдістер және қос жолақты немесе жолақты антенна массивтерін қалыптастыру әдістері ұсынылды. Бұл бөлімде біз RFH үшін арнайы антенна конструкцияларын, сондай-ақ тік жолақтар ретінде пайдалану мүмкіндігі бар классикалық көп жолақты антенналарды қарастырамыз.
Бір жазықтықты толқын өткізгіш (CPW) монопольді антенналары бірдей жиіліктегі микрожолақты патч антенналарына қарағанда аз аумақты алып, LP немесе CP толқындарын шығарады және көбінесе кең жолақты қоршаған орта ректенналары үшін қолданылады. Шағылысу жазықтықтары оқшаулауды арттыру және күшейтуді жақсарту үшін қолданылады, нәтижесінде патч антенналарына ұқсас сәулелену үлгілері пайда болады. Саңылаулы бір жазықтықты толқын өткізгіш антенналары 1,8–2,7 ГГц немесе 1–3 ГГц сияқты бірнеше жиілік диапазондары үшін импеданс өткізу жолақтарын жақсарту үшін қолданылады. Байланысты қоректенетін ұялы антенналар мен патч антенналары да көп жолақты ректенна конструкцияларында жиі қолданылады. 3-суретте бірнеше өткізу жолағын жақсарту әдісін қолданатын кейбір хабарланған көп жолақты антенналар көрсетілген.
3-сурет
Антенна-түзеткіштің кедергісін сәйкестендіру
50Ω антеннаны сызықты емес түзеткішпен сәйкестендіру қиын, себебі оның кіріс кедергісі жиілікке байланысты айтарлықтай өзгереді. А және В топологияларында (2-сурет) жалпы сәйкестендіру желісі - бұл біріктірілген элементтерді пайдаланатын LC сәйкестігі; дегенмен, салыстырмалы өткізу қабілеті әдетте көптеген байланыс диапазондарына қарағанда төмен. Бір жолақты стендті сәйкестендіру әдетте 6 ГГц-тен төмен микротолқынды және миллиметрлік толқынды диапазондарда қолданылады, ал хабарланған миллиметрлік толқынды ректенналардың өткізу қабілеті тар, себебі олардың PCE өткізу қабілеті шығыс гармоникалық басуымен шектеледі, бұл оларды 24 ГГц лицензияланбаған диапазондағы бір жолақты WPT қолданбалары үшін әсіресе қолайлы етеді.
C және D топологияларындағы ректенналар күрделірек сәйкестендіру желілеріне ие. Кең жолақты сәйкестендіру үшін шығыс портында РФ блогы/Тұрақты ток қысқа тұйықталу (өткізу сүзгісі) немесе диод гармоникалары үшін қайтару жолы ретінде ТҚ блоктау конденсаторы бар толық таратылған желі сәйкестендіру желілері ұсынылды. Түзеткіш компоненттерін коммерциялық электрондық жобалауды автоматтандыру құралдарын пайдаланып синтезделген баспа схема платасының (ПХП) аралық цифрлық конденсаторларымен ауыстыруға болады. Басқа хабарланған кең жолақты ректенна сәйкестендіру желілері төменгі жиіліктерге сәйкестендіру үшін жинақталған элементтерді және кірісте РЖ қысқа тұйықталуын жасау үшін таратылған элементтерді біріктіреді.
Жүктеме көзінен байқалатын кіріс кедергісін өзгерту (көзден тарту әдісі деп аталады) 57% салыстырмалы өткізу қабілеттілігі (1,25–2,25 ГГц) және біріктірілген немесе таратылған тізбектермен салыстырғанда 10%-ға жоғары PCE бар кеңжолақты түзеткішті жобалау үшін қолданылды. Сәйкес келетін желілер әдетте антенналарды бүкіл 50Ω өткізу қабілеттілігі бойынша сәйкестендіру үшін жасалғанымен, әдебиетте кеңжолақты антенналардың тар жолақты түзеткіштерге қосылғаны туралы есептер бар.
Гибридті жинақталған элементті және таратылған элементті сәйкестендіру желілері C және D топологияларында кеңінен қолданылды, тізбектей индукторлар мен конденсаторлар ең көп қолданылатын жинақталған элементтер болып табылады. Бұлар стандартты микрожолақты желілерге қарағанда дәлірек модельдеуді және жасауды қажет ететін аралық конденсаторлар сияқты күрделі құрылымдардан аулақ болады.
Түзеткіштің кіріс қуаты диодтың сызықты еместігіне байланысты кіріс кедергісіне әсер етеді. Сондықтан, ректенна белгілі бір кіріс қуат деңгейі мен жүктеме кедергісі үшін PCE-ді барынша арттыруға арналған. Диодтар негізінен 3 ГГц-тен төмен жиіліктерде сыйымдылықты жоғары кедергі болғандықтан, сәйкес келетін желілерді жоятын немесе жеңілдетілген сәйкес келетін тізбектерді азайтатын кеңжолақты ректенналар Prf>0 дБм және 1 ГГц-тен жоғары жиіліктерге бағытталған, себебі диодтардың сыйымдылық кедергісі төмен және антеннаға жақсы сәйкестендірілуі мүмкін, осылайша кіріс реактивтілігі >1000 Ом болатын антенналарды жобалаудан аулақ болады.
Бейімделгіш немесе қайта конфигурацияланатын импеданс сәйкестендіруі CMOS тікұшақтарында байқалды, мұнда сәйкестендіру желісі чиптегі конденсатор банктері мен индукторлардан тұрады. Статикалық CMOS сәйкестендіру желілері стандартты 50Ω антенналар үшін, сондай-ақ бірлесіп жасалған циклдік антенналар үшін де ұсынылды. Пассивті CMOS қуат детекторлары антеннаның шығысын қолжетімді қуатқа байланысты әртүрлі түзеткіштер мен сәйкестендіру желілеріне бағыттайтын қосқыштарды басқару үшін қолданылатыны туралы хабарланды. Векторлық желілік анализаторды пайдаланып кіріс кедергісін өлшеу кезінде дәл баптау арқылы реттелетін жинақталған реттелетін конденсаторларды пайдаланатын қайта конфигурацияланатын сәйкестендіру желісі ұсынылды. Қайта конфигурацияланатын микрожолақты сәйкестендіру желілерінде өрістік транзисторлық қосқыштар қос жолақты сипаттамаларға қол жеткізу үшін сәйкестендіруші стоптарды реттеу үшін пайдаланылды.
Антенналар туралы көбірек білу үшін мына сайтқа кіріңіз:
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 9 тамыз
